开启大功率无线充电新时代
英飞凌高度集成 WLC1115 无线充电控制器的主要特性、优势和应用
作者:
Prasanna Vijayakumar，英飞凌科技 USB 电源和无线充电应用总监。
感应充电和 Qi 规范概述
无线充电技术包括感应、磁谐振、电容、射频辐射、激光、声波和其他新兴技术。感应耦合技术处于领先地位 [1]，因此，其相关标准 Qi 在无线充电领域应用最为广泛。感应充电的工作原理为法拉第定律，功率发射器 (PTx) 线圈中的交流电产生交变磁场。然后，该磁场与功率接收器 (PRx) 线圈相互耦合，并转换回交流电流，为接收器侧连接的直流负载整流。
无线充电联盟 (WPC) 负责管理这项技术的相应规范发布。目前，最新发布的 Qi 规范版本为1.3.2，通过采用增强型异物检测 (FOD)、带有私钥存储的发射器认证等功能，以及提高互操作性的功能，清楚地展示了安全、高功率 (>5 W) 无线充电的意图。 Qi 规范的基础电源配置文件(BPP) 将最大输出功率限制为 5 W，而扩展电源配置文件 (EPP) 支持高达 15 W 的功率传输。然而，在强大智能手机通过 USB-C 接口快速有线充电的时代，采用 Qi 无线功率传输的用户充电速度体验仍在不断改善，为推出新解决方案铺平了道路。
本文介绍英飞凌第一代无线充电控制器，该控制器集成了最新 Qi 发射器、USB-PD/PPS 受电器件、DC/DC 控制器、栅极驱动器、检测/保护外设和可配置闪存。我们的可编程解决方案能够提高灵活性，具有集成优势，支持设计人员扩展功率级，允许 OEM 提供差异化功能，同时保持 Qi 兼容。
具有 Qi 向后兼容性的专有电源扩展
尽管感应式无线充电的标准之争可能已经结束，但 OEM 仍希望实现差异化功能并改善用户体验，从而催生了与 Qi 标准共存的专有快速充电协议。WPC 协议规定的专有供电扩展 (PPDE) 支持制造商扩展其解决方案的功能。此外，受地区频谱法规的限制，部分智能手机 OEM 提供高达 50 W 的专有大功率感应式无线充电。随著 Qi 标准的持续发展，未来可能提供具有更高功率容量的快速充电，产品制造商寻求灵活、可编程的解决方案，可进行软件升级、维护，并在产品生命周期内改进用户体验。
WLC1115 发射器控制器 IC 的主要特性
集成降压和逆变器功率级
英飞凌 WLC1115 发射器控制器 IC 是一款高度集成且符合 Qi 标准的无线发射器，采用集成USB Type-C 供电 (PD)，符合最新 Qi 和 USB-C PD 规范，集成了用于降压和逆变器功率级MOSFET 的栅极驱动器。此外，还具备硬件控制保护功能。WLC1115 利用集成降压控制器来生成所需桥电压，为全桥逆变器供电，反过来，全桥逆变器又为功率发射器 (PTx) LC 谐振回路供电，进而为功率接收器 (PRx) 供电。降压转换器支持的输入电压范围为 4.5 V 至 24 V。WLC1115 的集成栅极驱动器旨在根据 Qi 规范类型和操作场景控制全桥或半桥逆变器。图 1 所示为基于 MP-A11 线圈的发射器系统，逆变器级采用定频可变输入电压控制。
对功率级而言，在此类发射器中使用 WLC1115 具有以下优势：
1. 基于 PD 的高集成方案，符合最新 USB Type-C PD 要求
2. 集成栅极驱动器和固件可配置的通/断栅极驱动强度
3. 可编程开关频率范围高达 600 kHz
4. 使用 PD 输入，可灵活地将输入电压从 5 V 动态更改为 20 V
a. 这有助于通过 USB-PD 类型输入获得高效率。例如，可动态配置输入电压，使降压级输入接近输出，从而提高降压级效率。 PTx 输入为 15 V，PRx 输出为 12V 时，测得的 15 W 峰值效率大于 83[3]。b. 在空闲模式下以 5 V 运行，可降低待机功耗，通常约为 67 mW [3]，可通过系统特定的固件增强功能进一步降低到 25 mW 以下。
5. 降压级输入和输出侧的保护功能：
a. 输入 UVP、OVP，
b. 输出 UVP、OVP，
c. 输出 OCP、SCP，
d. 特定于 PD 的保护（例如，V BUS 到 CC 短路）
通信和认证
Qi EPP 标准要求双向带内通信。从 PTx 到 PRx 的通信的通信基于由 PTx 实现的频移键控 (FSK)方案，交替载波频率。从 PRx 到 PTx 的通信基于由调制 PRx 侧负载创建的幅移键控 (ASK) 方
案，在 PTx 上出现反射，然后过滤并解码。
WLC1115 发射器控制器位于 PTx 侧，通过检测 PTx 线圈中的电压和电流变化来实现 ASK 解调和解码方案。在 FSK 中，PTx 将其工作频率从当前频率更改为备用频率，以编码信息。Qi 1.3.x 规范要求对超过 5 W 的 EPP 供电 进行认证，遵循依赖公钥和私钥对来加密和解密内容的公钥加密。这些密钥在数学上是相关的，对于由其中一个密钥加密的内容，可使用另一个密钥来解密。私钥是最敏感的安全凭证，必须安全存储。公钥通常为二进制证书的一部分，该证书通过带内通信介质传输给接收方。根据 Qi 规范，PTx 必须将产品单元的私钥安全托管在存储子系统中，以用于数字签名。该私
钥用于对来自功率发射器设备的质询验证响应进行数字签名。我们的解决方案使用 OPTIGA™Trust 充电器件来存储该私钥（图 2）[5]。
配套 REF 套件无线充电 MP A11 功率发射器 REFWLCTX15WC1 使用英飞凌 WLC1115 发射器控制器 IC 和 OPTIGA™ Trust 充电 IC 认证解决方案进行无线充电，满足 Qi 认证要求。
异物检测 (FOD)
WLC1115 发射器控制器还支持符合 Qi v1.3.2 标准的增强型异物检测 (FOD)，其中包括基于 Q因子、谐振频率、功率损耗和过温（如果使用热敏电阻）的 FOD。
英飞凌高度集成 WLC1115 无线充电控制器的主要特性、优势和应用
作者:
Prasanna Vijayakumar，英飞凌科技 USB 电源和无线充电应用总监。
感应充电和 Qi 规范概述
无线充电技术包括感应、磁谐振、电容、射频辐射、激光、声波和其他新兴技术。感应耦合技术处于领先地位 [1]，因此，其相关标准 Qi 在无线充电领域应用最为广泛。感应充电的工作原理为法拉第定律，功率发射器 (PTx) 线圈中的交流电产生交变磁场。然后，该磁场与功率接收器 (PRx) 线圈相互耦合，并转换回交流电流，为接收器侧连接的直流负载整流。
无线充电联盟 (WPC) 负责管理这项技术的相应规范发布。目前，最新发布的 Qi 规范版本为1.3.2，通过采用增强型异物检测 (FOD)、带有私钥存储的发射器认证等功能，以及提高互操作性的功能，清楚地展示了安全、高功率 (>5 W) 无线充电的意图。 Qi 规范的基础电源配置文件(BPP) 将最大输出功率限制为 5 W，而扩展电源配置文件 (EPP) 支持高达 15 W 的功率传输。然而，在强大智能手机通过 USB-C 接口快速有线充电的时代，采用 Qi 无线功率传输的用户充电速度体验仍在不断改善，为推出新解决方案铺平了道路。
本文介绍英飞凌第一代无线充电控制器，该控制器集成了最新 Qi 发射器、USB-PD/PPS 受电器件、DC/DC 控制器、栅极驱动器、检测/保护外设和可配置闪存。我们的可编程解决方案能够提高灵活性，具有集成优势，支持设计人员扩展功率级，允许 OEM 提供差异化功能，同时保持 Qi 兼容。
具有 Qi 向后兼容性的专有电源扩展
尽管感应式无线充电的标准之争可能已经结束，但 OEM 仍希望实现差异化功能并改善用户体验，从而催生了与 Qi 标准共存的专有快速充电协议。WPC 协议规定的专有供电扩展 (PPDE) 支持制造商扩展其解决方案的功能。此外，受地区频谱法规的限制，部分智能手机 OEM 提供高达 50 W 的专有大功率感应式无线充电。随著 Qi 标准的持续发展，未来可能提供具有更高功率容量的快速充电，产品制造商寻求灵活、可编程的解决方案，可进行软件升级、维护，并在产品生命周期内改进用户体验。
WLC1115 发射器控制器 IC 的主要特性
集成降压和逆变器功率级
英飞凌 WLC1115 发射器控制器 IC 是一款高度集成且符合 Qi 标准的无线发射器，采用集成USB Type-C 供电 (PD)，符合最新 Qi 和 USB-C PD 规范，集成了用于降压和逆变器功率级MOSFET 的栅极驱动器。此外，还具备硬件控制保护功能。WLC1115 利用集成降压控制器来生成所需桥电压，为全桥逆变器供电，反过来，全桥逆变器又为功率发射器 (PTx) LC 谐振回路供电，进而为功率接收器 (PRx) 供电。降压转换器支持的输入电压范围为 4.5 V 至 24 V。WLC1115 的集成栅极驱动器旨在根据 Qi 规范类型和操作场景控制全桥或半桥逆变器。图 1 所示为基于 MP-A11 线圈的发射器系统，逆变器级采用定频可变输入电压控制。
对功率级而言，在此类发射器中使用 WLC1115 具有以下优势：
1. 基于 PD 的高集成方案，符合最新 USB Type-C PD 要求
2. 集成栅极驱动器和固件可配置的通/断栅极驱动强度
3. 可编程开关频率范围高达 600 kHz
4. 使用 PD 输入，可灵活地将输入电压从 5 V 动态更改为 20 V
a. 这有助于通过 USB-PD 类型输入获得高效率。例如，可动态配置输入电压，使降压级输入接近输出，从而提高降压级效率。 PTx 输入为 15 V，PRx 输出为 12V 时，测得的 15 W 峰值效率大于 83[3]。b. 在空闲模式下以 5 V 运行，可降低待机功耗，通常约为 67 mW [3]，可通过系统特定的固件增强功能进一步降低到 25 mW 以下。
5. 降压级输入和输出侧的保护功能：
a. 输入 UVP、OVP，
b. 输出 UVP、OVP，
c. 输出 OCP、SCP，
d. 特定于 PD 的保护（例如，V BUS 到 CC 短路）
通信和认证
Qi EPP 标准要求双向带内通信。从 PTx 到 PRx 的通信的通信基于由 PTx 实现的频移键控 (FSK)方案，交替载波频率。从 PRx 到 PTx 的通信基于由调制 PRx 侧负载创建的幅移键控 (ASK) 方
案，在 PTx 上出现反射，然后过滤并解码。
WLC1115 发射器控制器位于 PTx 侧，通过检测 PTx 线圈中的电压和电流变化来实现 ASK 解调和解码方案。在 FSK 中，PTx 将其工作频率从当前频率更改为备用频率，以编码信息。Qi 1.3.x 规范要求对超过 5 W 的 EPP 供电 进行认证，遵循依赖公钥和私钥对来加密和解密内容的公钥加密。这些密钥在数学上是相关的，对于由其中一个密钥加密的内容，可使用另一个密钥来解密。私钥是最敏感的安全凭证，必须安全存储。公钥通常为二进制证书的一部分，该证书通过带内通信介质传输给接收方。根据 Qi 规范，PTx 必须将产品单元的私钥安全托管在存储子系统中，以用于数字签名。该私
钥用于对来自功率发射器设备的质询验证响应进行数字签名。我们的解决方案使用 OPTIGA™Trust 充电器件来存储该私钥（图 2）[5]。
配套 REF 套件无线充电 MP A11 功率发射器 REFWLCTX15WC1 使用英飞凌 WLC1115 发射器控制器 IC 和 OPTIGA™ Trust 充电 IC 认证解决方案进行无线充电，满足 Qi 认证要求。
异物检测 (FOD)
WLC1115 发射器控制器还支持符合 Qi v1.3.2 标准的增强型异物检测 (FOD)，其中包括基于 Q因子、谐振频率、功率损耗和过温（如果使用热敏电阻）的 FOD。
Q 因子和谐振频率测量结果用于供电阶段之前的 FOD。 PRx 报告使用 Qi 定义参考线圈校准的Q 因子和谐振频率参考值。 PTx 将报告值与现场测量值进行比较，确定是否存在异物。比例因子用于将 PRx 报告的 Q 因子和谐振频率值转换为与参考发射器线圈等效的值，以适应测量变化。
功率损耗法主要用于功率传输阶段。功率损耗 FOD 使用在降压输出端测得的 PTx 功率，该功率馈送到逆变器桥。通过调谐 FOD 系数来进一步调节该 PTx 功率，以考虑逆变器损耗和友好金属损耗。计算校准 PTx 功率之后，将结果与最新报告的 PRx 功率值进行比较。如果校准 PTx功率与 PRx 功率之间的差异超过 P loss 阈值，则会记录 FOD 事件。
为防止错误断开连接并改善用户体验，WLC1115 采用自适应算法来区分真实 P loss FOD 与由耦合不佳 PRx 引起的 P loss 。 FOD 系数和 P loss 阈值均可配置，以满足系统设计要求。例如，图 3 所示为 PRx 对有效充电面积的影响，该 PRx 具有磁性对准辅助装置以及潜在友好金属。
另一个示例（表 1）显示了我们的 PTx 通过自适应 FOD 算法检测不銹钢等物体的能力，Qi 规范 [2] 将其定义为 FO1，在智能手机等大型平板手机充电期间引入。
专有扩展的可编程性
配套参考板使用 WLC1115 无线充电控制器 IC，支持三星专有充电扩展。所含软件为堆栈库提供应用程序编程接口 (API)，支持访问各种功能，这些功能可用于进一步实施专有协议扩展等Qi 协议。如下页图 4 所示，三星手机消耗的 PTx 功率约为 9 W，而 BPP 仅为 5 W。
使用 WLC1115 的各种应用的可配置软件
英飞凌 WLC1115 发射器控制器 IC 带有 Qi v1.3.2 认证的 MP A11 电源发射器参考解决方案，适用于各种应用，包括智能手机、智能扬声器、扩展坞、监视器，以及工业或医疗保健附件（图 5）。
除参考解决方案外，WLC1115 还支持 Configuration Utility（可下载），以及通过英飞凌 ModusToolbox™ 软件 提供的固件库。 “configuration utility” 是一款 Microsoft Windows 应用程序，可指导 WLC1x 用户完成配置和编程芯片的过程。该实用程序与所提供的硬件协同工作，硬件托管 WLC1x 控制器 IC 以及 USB 接口。图形用户界面 (GUI) 支持用户直观选择和配置应用参数。应用说明 [6] 也进一步解释了部分参数，比如 FOD 调谐。除无线充电参数外，该实用程序还提供支持配置 USB-PD 输入和保护（例如 OVP、OCP 和 OTP）的参数。
例如，通过遵循英飞凌社区知识库文章 [7] 中详细介绍的简单配置过程，REF 解决方案可启用基于直流输入电源的无线充电操作。这非常适合具有固定电压轨的应用，比如工业机器人、扩展坞和售后附件。软件配置非常灵活，从概念到批量生产阶段，都支持最终产品设计师充分展现自身才能。
结论：
最近几年，智能充电技术的组件和应用发展非常迅速。虽然关注的焦点是支持通用连接器的标准化有线充电 USB-C [8]，但对于众多用户群体而言，越来越需要随时可用且方便的充电器件，这也是无线充电的主要推动力。
我们使用集成 USB-C PD 的无线充电解决方案，结合英飞凌 OPTIGA™ Trust 充电认证，为OEM 提供吸引力十足的 BOM 价值主张，帮助他们开发满足 Qi v1.3.2 要求的发射器。我们的平台具有自适应 FOD 等主要特性，支持专有协议、DC/DC 控制器集成以及软件库，非常特殊，可满足专有及新兴感应无线充电的 Qi 标准要求。
请访问我们的无线充电 IC 网站，了解英飞凌 WLC 可编程解决方案如何能够提供所需的灵活性，以扩展到更高功率级，同时保持 Qi 兼容。
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参考资料
[1] Sánchez 等人，“评估无线充电现状的技术支持研究”，欧洲委员会，Fraunhofer IZM，2021-
09-07
[2] 无线充电联盟 Qi 规范
[3] 英飞凌科技，“WLC1115 15-W MP-A11 无线功率发射器参考板 (REF_WLC_TX15W_C1) 测试报告”，用户指南，002-35395 Rev. A，2022-05-25
[4] Smith、Kedilaya，“WLC 发射器硬件设计指南”，应用说明，AN235387，2022-05-12。
[5] Ramanujam，“为 WLC 发射器提供 OPTIGA™ Trust 充电”，应用说明，AN235196，2022-05-02
[6] Ramanujam、Chelluri，“无线功率发射器的异物检测调谐指南”，应用说明，AN234970，2022-05-03。
[7] 英飞凌科技，“在 REF_WLC_TX15W_C1 参考板上启用基于直流输入的无线充电操作”，知识库文章，KBA235366
[8] 欧洲委员会，“关于协调成员国无线电设备上市相关法律的指令 2014/53/EU 修订建议”，在线文档，2021-09-23
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